Abstract: Analizzando i problemi esistenti nella struttura originale di azionamento della ventola della torre di raffreddamento, vengono illustrati i vantaggi del motore a magneti permanenti ad azionamento diretto e ne vengono analizzate la selezione e il controllo. La trasformazione del sistema di azionamento della ventola della torre di raffreddamento in un sistema ad azionamento diretto con motore a magneti permanenti risolve i problemi delle apparecchiature, come perdite d'olio e forti vibrazioni, riduce la manutenzione, migliora l'efficienza operativa delle apparecchiature e produce un notevole risparmio energetico. Una singola unità può far risparmiare circa 98,000 kWh di elettricità all'anno, con un ottimo rendimento.

Il sistema di raffreddamento ad acqua circolante per la generazione di energia termica di scarto utilizza due ventilatori della torre di raffreddamento da 75 kW per il raffreddamento ad acqua circolante. La parte di trasmissione della ventola di raffreddamento adotta la tradizionale struttura di azionamento dell'attrezzatura composta da motore + albero di trasmissione + riduttore. L'albero di ingresso del motore e del riduttore sono collegati ad un albero di trasmissione in acciaio.

1. Problemi con le strutture di azionamento tradizionali

(1) Il riduttore della ventola di raffreddamento è installato all'interno della torre di raffreddamento. L'albero di trasmissione è lungo 4 m. A causa dell'ambiente molto umido, l'albero di trasmissione è gravemente corroso. L'albero di trasmissione perde il suo equilibrio dinamico a causa del distacco irregolare dello strato di ruggine, provocando gravi vibrazioni dell'attrezzatura e dell'albero di trasmissione. Sono necessari una regolare rimozione della ruggine e un bilanciamento dinamico, il che è costoso.

(2) Con l'aumentare del tempo di funzionamento del riduttore della ventola di raffreddamento, il paraolio dell'albero di ingresso si usura seriamente, causando perdite di olio, richiedendo un rabbocco regolare di olio e inquinando l'ambiente.

(3) Il riduttore ha una struttura compatta, genera molto calore e ha scarse capacità di dissipazione del calore, con conseguente elevata temperatura del riduttore, breve durata dei paraolio e dei lubrificanti e necessità di manutenzione frequente.

2. Struttura e vantaggi dell'azionamento diretto a magnete permanente

Il motore a magneti permanenti ad azionamento diretto adotta la tecnologia di controllo vettoriale a frequenza variabile, la tecnologia di azionamento diretto a bassa velocità e coppia elevata e la tecnologia di controllo intelligente. Ha una struttura semplificata e presenta le caratteristiche di alta efficienza e basso consumo, bassa velocità e coppia elevata, elevata affidabilità e assenza di manutenzione, elevata rigidità e risposta rapida, senza necessità di lubrificazione. La bassa velocità, il funzionamento regolare e le vibrazioni ridotte riducono notevolmente il carico di lavoro per la manutenzione e la riparazione quotidiana, con conseguente risparmio di manodopera e costi dei materiali. Adatto per l'utilizzo in applicazioni di ventilazione.

I principali vantaggi:

(1) Il motore ad azionamento diretto a magnete permanente aziona direttamente il carico, eliminando la necessità di un riduttore. Ha una struttura semplice e affidabile ed è sostanzialmente esente da manutenzione.

(2) Il riduttore e l'albero di trasmissione vengono rimossi e l'efficienza di trasmissione del sistema è 0.93. Quando funziona al di sotto della frequenza nominale, ha caratteristiche di coppia costante, che soddisfano i requisiti di avvio di carichi pesanti dell'apparecchiatura e rendono il funzionamento dell'apparecchiatura più efficiente dal punto di vista energetico.

(3) L'attrezzatura occupa uno spazio ridotto e non consuma olio lubrificante e pezzi di ricambio del riduttore.

(4) Il controllo del convertitore di frequenza può ottenere un avvio graduale, riducendo l'impatto sulle apparecchiature di carico e prolungandone la durata.

(5) In condizioni di basso carico, la frequenza operativa può essere opportunamente ridotta per ottenere migliori effetti di risparmio energetico.

3. Selezione del motore ad azionamento diretto a magnete permanente

3.1 Fattore di potenza del funzionamento a carico e confronto dell'efficienza

Prima della trasformazione, la potenza del ventilatore della torre di raffreddamento era di 75 kW, la corrente nominale era di 160 A, la corrente operativa massima era di circa 76 A e il tasso di carico era di circa il 56%. Il confronto tra l'efficienza e il fattore di potenza dei motori asincroni e dei motori a magneti permanenti sotto diversi carichi operativi è mostrato nella Figura 1.

Il motore ad azionamento diretto a magnete permanente ha la stessa velocità della girante della ventola della torre di raffreddamento, n0=n=155 giri/min (n è la velocità della ventola), la potenza dell'albero richiesta P=1.732UIcosφη1η2η3=1.732×0.38×76×0.855× 0.86× 0.95×0.96≈33.5 (kW), la coppia richiesta T=9 550P/n0=9 550×33.5÷155= 2 064 (N·m).

Il modello reale dopo la modifica è mostrato nella Figura 2.

3.2 Svantaggi dei motori a magneti permanenti

I motori sincroni a magneti permanenti utilizzano generalmente materiali a base di terre rare (neodimio, ferro e boro) come magneti permanenti. Attualmente, i materiali a base di terre rare sono relativamente costosi e l'investimento iniziale è elevato. Quando la temperatura di un motore sincrono a magneti permanenti a terre rare è troppo alta, può verificarsi una smagnetizzazione irreversibile dovuta alla reazione di armatura causata dalla corrente d'urto, o a forti vibrazioni meccaniche, con conseguente degrado delle prestazioni del motore o addirittura suo inutilizzabile. Pertanto, nell'ambiente di utilizzo, è necessario prestare attenzione alla progettazione di piani di raffreddamento del motore e all'adozione di misure per prevenire le vibrazioni.

4. Analisi degli effetti dopo la trasformazione

Dopo che il motore del ventilatore della torre di raffreddamento ha adottato due motori ad azionamento diretto a magneti permanenti da 55 kW, nelle stesse condizioni operative, la corrente oraria di un singolo motore a magnete permanente diminuisce in media di circa 35 A in autunno e inverno e la tensione misurata durante il funzionamento è di circa 340 V. Prendiamo U= 340 V, cosφ=0.97, η=0.95, quindi la potenza è P=1.732UIcosφη=1.732×0.34×35×0.97×0.95=18.9 (kW) e si prevede un risparmio di 18.9 kWh all'ora. La diminuzione media oraria della corrente è di circa 28 A in primavera ed estate, e la tensione effettiva misurata durante il funzionamento è di circa 370 V. Prendendo U=370 V, cosφ=0.97, η=0.95, la potenza è: P=1.732UIcosφη=1.732 ×0.37×28×0.97× 0.95=16.5 (kW), si prevede un risparmio di 16.5 kWh all'ora. Secondo il confronto dei dati di misurazione del contatore di energia prima e dopo la trasformazione, un singolo motore può risparmiare 17 kWh all'ora in autunno e inverno e un singolo motore può risparmiare 15 kWh all'ora in primavera ed estate. Calcolato sulla base di un tasso di funzionamento annuo del 70%, un singolo motore può risparmiare 17 kWh all'ora in autunno e inverno. Il risparmio di energia elettrica è di circa 98,000 kWh.

5. CONCLUSIONE

Dopo che il sistema di azionamento della ventola della torre di raffreddamento è stato trasformato in un sistema di azionamento diretto del motore a magnete permanente, i problemi di perdite di olio e grandi vibrazioni dell'attrezzatura sono stati risolti, l'efficienza operativa dell'attrezzatura è stata migliorata e l'effetto di risparmio energetico è stato evidente, risparmiando circa 15~17 kWh all'ora e un tasso di risparmio energetico del 40%, riducendo al contempo la manutenzione, migliorando il tasso di funzionamento del sistema e prolungando la durata di servizio delle apparecchiature.